鋼鐵俠托尼·斯塔克（小羅伯特·唐尼飾）在國會(huì)聽證會(huì)上拒絕交出最新技術(shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)胸口微型電弧反應(yīng)爐導(dǎo)致血液鈀金屬中毒。他將斯塔克公司總裁職務(wù)交予秘書波茲（格溫妮絲·帕特羅飾）以籌備紐約斯塔克博覽會(huì)，并在波茲安排下接受助理娜塔莉（斯嘉麗·約翰遜飾）的照顧。托尼高調(diào)亮相媒體引發(fā)伊凡（米基·洛克飾）不滿，后者繼承其父遺志研發(fā)出對抗鋼鐵戰(zhàn)衣的裝備。軍火商賈斯丁·漢默（山姆·洛克威爾飾）為取代鋼鐵俠設(shè)法劫持伊凡合作研究。鈀中毒加劇的托尼陷入低谷，意外發(fā)現(xiàn)娜塔莉真實(shí)身份是神盾局特工，并因任性導(dǎo)致與好友羅德上校（唐·錢德爾飾）決裂。最終托尼在博覽會(huì)現(xiàn)場利用新發(fā)現(xiàn)元素改造反應(yīng)堆，以升級(jí)戰(zhàn)衣?lián)魯∫练膊⒒馕C(jī)，同時(shí)修復(fù)了與羅德的友誼。